Чому нагрітий метал раптом став міцнішим?
Нове дослідження показало: якщо нагріти чистий метал і спробувати деформувати його на надзвичайно високих швидкостях, тепло не послаблює його, а навпаки – зміцнює. Це відкриття суперечить тому, чого вчили інженерів і металургів протягом десятиліть, пише Tech Xplore.
Дивіться також Найдовший експеримент в історії скоро святкуватиме 100 років, але зупинятися не збирається
Щоб дослідити поведінку металів в екстремальних умовах, вчені під керівництвом Крістофера Шу, декана Інженерної школи Маккормік при Північно-Західному університеті, вдалися до нестандартного підходу. Оскільки звичайні лабораторні тести не здатні відтворити потрібні умови, команда використала спеціальну установку, яка вистрілює мікроскопічними твердими частинками зі швидкістю до кількох сотень метрів за секунду.
При зіткненні з поверхнею металу ці частинки розтягують його на 100 мільйонів відсотків від початкової довжини буквально за одну секунду. Це у тисячу разів швидше, ніж людське кліпання очима.
Дослідники перевірили зразки нікелю, титану, золота та міді – як у чистому вигляді, так і у вигляді легованих сплавів – при температурах від кімнатної до 155 градусів Цельсія. Результати виявилися разючими: чисті метали ставали міцнішими зі зростанням температури, тоді як леговані сплави поводилися традиційно – нагрівання їх розм'якшувало, як показує дослідження, опубліковане у журналі Physical Review Letters.
Чому так відбувається?
Пояснення цього феномену криється у поведінці атомів. Коли частинка вдаряє в чистий метал із великою швидкістю, вона стикається з опором вібруючих атомів. Частина з них у будь-який момент коливається у напрямку, протилежному деформації. Чим вища температура – тим інтенсивніші ці коливання, і тим важче частинці деформувати поверхню. Атомам, образно кажучи, "не подобається" рухатися так швидко, тому вони чинять опір.
У легованих сплавах ситуація інша: домішки самі по собі є перешкодами для деформацій, але нагрівання дає дефектам структури достатньо енергії, щоб подолати ці бар'єри – і метал повертається до звичної поведінки.
Цікаво, що вже 0,3 відсотка легувальних елементів у складі металу повністю скасовувало ефект.
Що це нам дає?
Це відкриття має практичне значення для розробки матеріалів, що працюють в умовах надвисоких температур і ударних навантажень. Чистота металу може стати новим параметром проєктування – поряд із хімічним складом та структурою
Наприклад, у космосі супутники постійно зазнають ударів мікрометеоритів. За словами Шу, можна було б розробити реактивні системи захисту, які у відповідь на наближення мікрометеорита підвищують температуру оболонки супутника, роблячи її міцнішою.
Схожі принципи можуть знайти застосування також у гіперзвуковій авіації, позаземному будівництві та передових виробничих технологіях.